±800 kV换流站阀厅结构扭转变形分析

吴必华，高湛，陈俊，李志，蔡华，龚天森，胡蓉，甘运良

(1.中南电力设计院，武汉市，430071;2.中国南方电网超高压输电公司，广州市，510620)

0 引言

阀厅结构是长距离高压直流输电工程中换流站的核心部位，起着关键作用。阀厅结构悬挂多层阀塔，阀塔及其相关设备通过吊索悬挂于水平钢梁上。阀厅结构振动时，阀塔会伴随着结构的振动而产生晃动，而阀塔的晃动又将对结构的振动产生影响，整体结构响应分析较为复杂。由于阀厅结构一边是钢结构柱(类似于普通单层工业厂房)，另一边由于设备要求为剪力墙(防火墙)，造成结构整体扭转，对结构抗震非常不利。

针对目前阀厅结构体系抗震设计中存在的问题，本文将防火墙中全剪力墙改为框架剪力墙，采用有限元通用软件ANSYS，建立了某±800 kV换流站阀厅结构体系的2类有限元模型(框架剪力墙阀厅结构和全剪力墙阀厅结构)。对挂阀前后2种阀厅结构在地震作用下的动力特性进行分析和比较，为换流站阀厅结构的抗震设计提供参考。

1 工程概况

本文研究的阀厅结构是钢和钢筋混凝土混合结构形式，包括阀组及相关设备的钢梁、梯形钢屋架、阀组、钢柱以及剪力墙(或框架)等。阀厅平面布置、阀厅屋架上弦水平支撑结构布置、阀厅屋架下弦水平支撑及设备吊梁结构布置如图1所示。

图1 阀厅结构布置Fig.1 Layout of valve hall structure

2 阀厅结构的模态分析

2.1 有限元模型

对2种结构型式的阀厅进行模态分析，以确定2种阀厅结构挂阀前后的前几阶振型和频率，及2种结构型式的动力特性。分别对短肢剪力墙阀厅结构和全剪力墙阀厅结构2种阀厅结构进行有限元建模，模型几何尺寸与原结构相同，所有梁、柱、屋架构件和支撑均采用三维空间BEAM189梁单元［1］;剪力墙采用SHELL63壳单元;屋面檩条截面尺寸小，属于非结构构件，与填充墙和活荷载一样，主要考虑质量的影响，采用MASS21模拟;阀塔结构中的吊索采用索单元模拟，阀塔采用壳单元模拟。图2～3为框架剪力墙阀厅结构和全剪力墙阀厅结构的有限元模型。

图2 框架剪力墙阀厅结构Fig.2 Shot-pier shear wall structure of valve hall

图3 全剪力墙阀厅结构Fig.3 Shear wall structure of valve hall

2.2 框架剪力墙阀厅结构模态分析

分别对挂阀前后框架剪力墙阀厅结构的动力特性进行分析［2］，并对其振型和频率进行比较，如表1所示。由表1可知:吊阀对框架剪力墙阀厅结构(整体结构)的频率和振型的影响(比较)在1%以内。

表1 短肢剪力墙结构挂阀前后整体频率Tab.1 Frequency of shot-pier shear wall structure

2.3 全剪力墙阀厅结构模态分析

同理，对挂阀前后的全剪力墙阀厅结构进行模态分析，结果如表2所示。由表2可知:吊阀对全剪力墙阀厅结构的频率和振型的影响并不显著，主要的不同在于吊阀本身具有多阶局部振型，频率相差范围在1.1%以内。从以上分析可以看出:挂阀前后主体结构的频率变化不大。

表2 全剪力墙结构整体频率对比Tab.2 Frequency of shear wall structure

阀厅结构第1阶振型如图4所示。从图4可以看出:地震作用下，阀厅结构扭转变形非常明显。

图4 阀厅扭转变形Fig.4 Torsion deformation of valve hall

3 阀厅结构体系动力时程分析

3.1 阀厅结构体系地震反应动力方程

单质量悬挂体系支架的弹性振动与悬挂质量的重力振动相耦联，可借用结构力学中的水平刚度系数法，得到悬挂体系水平刚度系数［3-4］为

式中:k为主体结构的水平刚度系数，可由一般结构力学中的矩阵位移法推导出，kij为悬挂质量的水平刚度系数;mi为悬挂物的质量;li为mi的悬索长度。

阀厅结构体系运动方程［3-4］为

根据以上的动力学方程即可对具有悬挂质量的建筑结构体系进行地震作用下的动力时程分析，得到该体系的地震作用效应。

3.2 阀厅结构体系扭转变形分析

为了对2种结构型式阀厅的扭转变形进行整体评价，本文分别对2种结构型式阀厅进行了动力时程分析。由于结构产生扭转变形的主要原因为结构在纵向结构刚度不对称引起的，因而，本文主要分析结构在纵向地震输入时的扭转变形。通过时程分析得到阀厅2边角点(1号节点和2号节点)位移时程，选出相同时刻的位移幅值，即可确定阀厅整体结构的扭转角。由于篇幅限制，本文仅列出阀厅结构(有阀)在纵向地震作用下 1号节点(角柱顶点，标高24.8 m)的位移时程，地震加速度为 0.1g，如图 5所示。

图5 框架剪力墙阀厅结构(有阀)1号节点在纵向地震波下的位移Fig.5 Diaplacement of No.1 node for shot－pier shear wall structure of valve hall under longitudinal earthquake wave

在纵向地震作用下，挂阀前后2种结构扭转角如表3所示。

从表3可以看出:将阀厅结构全剪力墙改为框架剪力墙后，纵向地震下最大扭转角有所减小。主要原因是框架剪力墙结构两侧的侧向刚度较为接近，而全剪力墙结构虽然可以提供更大的纵向抗侧刚度，但由于阀厅结构另一侧是钢框架结构，使得阀厅结构两侧刚度差异明显，导致较大的扭转变形。

表3 不同地震波下2种阀厅结构最大扭转角Tab.3 The torsion angle amplitude of the valve hall

3 结论

(1)吊阀对2种阀厅结构的整体结构的前3阶频率和振型的影响基本控制在1.1%以内，可以忽略不计。整体结构基本振型为整体结构扭转变形，对抗震不利。

(2)挂阀框架剪力墙结构与全剪力墙结构在4种地震作用下的最大扭转角对比分析表明:框架剪力墙结构的整体抗扭性能优于全剪力墙结构。因此，从结构安全性和抗震性能方面考虑，采用框架剪力墙结构更合理，并且框架剪力墙结构较全剪力墙结构更为经济。

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